摘  要

針對(duì)電加熱給乘員艙取暖會(huì)影響純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程的問(wèn)題，搭建了廢熱回收的熱泵系統(tǒng)，回收動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的廢熱，并通過(guò)GT-suite仿真分析軟件進(jìn)行分析。取暖工況下，采用電池預(yù)熱要比單電加熱熱泵COP（制熱能效比）提升20%。采用電池預(yù)熱、廢熱回收的熱泵系統(tǒng)要比電加熱系統(tǒng)的百公里能耗減少29.6%；采用廢熱回收的熱泵系統(tǒng)要比電加熱系統(tǒng)的百公里能耗減少6.7%。結(jié)果表明，帶電池預(yù)熱的回收型熱泵可使乘員艙取暖系統(tǒng)的COP 和整車(chē)的百公里能耗有顯著優(yōu)化。

純電動(dòng)汽車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)排放污染、能源利用效率高，是未來(lái)新能源汽車(chē)的重要發(fā)展方向。但是，與傳統(tǒng)燃油車(chē)相比，純電動(dòng)車(chē)并沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)余熱用于乘員艙取暖；而采用PTC（PositiveTemperatureCoefficient）電加熱會(huì)嚴(yán)重影響純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程，可以回收利用動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的廢熱用于乘員艙取暖。乘員艙溫度控制、動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的熱管理系統(tǒng)獨(dú)立分散，也需要進(jìn)行統(tǒng)一管理。針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)以熱泵空調(diào)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用將制冷劑回路引入電池內(nèi)部的方法進(jìn)行電池?zé)峁芾?，但并沒(méi)有考慮電機(jī)的熱管理。文獻(xiàn)對(duì)電機(jī)和電池采用水冷，并且將熱量與空調(diào)系統(tǒng)交換，整個(gè)熱管理系統(tǒng)的核心為空調(diào)系統(tǒng)。上述研究都未在統(tǒng)一工況進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試?；诖耍恼绿岢隽艘环N廢熱回收型熱泵系統(tǒng)（包含動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的廢熱熱源），研究在CLTC-P（中國(guó)輕型車(chē)測(cè)試循環(huán)）工況下的整車(chē)熱管理性能，為乘員艙取暖以及提高續(xù)航里程提供參考。

1  循環(huán)原理

某車(chē)型熱管理系統(tǒng)能夠完成乘員艙制冷、電池/電機(jī)冷卻、乘員艙采暖和電池!電機(jī)廢熱回收功能，不同的功能通過(guò)切換管路電磁閥實(shí)現(xiàn)，文章僅討論乘員艙采暖和電池/電機(jī)廢熱回收功能。

當(dāng)乘員艙需求采暖時(shí)，制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后流經(jīng)乘員艙冷凝器、干燥過(guò)濾器、電子膨脹閥、板式換熱器，回到壓縮機(jī)；冷卻液流經(jīng)電池和電機(jī)回路，吸收電池和電機(jī)廢熱，將吸收的熱量通過(guò)板式換熱器與制冷劑進(jìn)行熱量交換，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)和電池廢熱回收?；芈分械母邏弘娂訜崞髟跓崃坎粔驎r(shí)給水加熱；乘員艙空氣與艙內(nèi)冷凝器中制冷劑換熱，用于給乘員艙加熱。純電動(dòng)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)乘員艙采暖工況，如圖1所示。



2  整車(chē)熱管理系統(tǒng)模型建立

搭建整車(chē)乘員艙采暖工況的物理模型，并對(duì)仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化以加快模型求解速度：

1） 忽略各部件間和連接管路間的熱交換；

2）系統(tǒng)管內(nèi)制冷劑流動(dòng)為一維流動(dòng)；

3）冷凝器側(cè)入口空氣為一維均勻條件，忽略空氣的流動(dòng)不均勻性；

4）電機(jī)電池系統(tǒng)簡(jiǎn)化為相應(yīng)的等效熱容；

5） 電池與外界空氣的對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為定值不變；

6）電池內(nèi)部材料均勻，且材料的物理性質(zhì)保持定值，不受外界影響。

2.1  壓縮機(jī)模型

壓縮機(jī)建模采用容積式壓縮機(jī)模型，電池組直流電經(jīng)逆變器為壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，電機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，考慮到制冷劑在壓縮機(jī)中流動(dòng)和換熱比較復(fù)雜，建模僅考慮體積效率ηv、等熵效率ηis和機(jī)械效率ηm。質(zhì)量流量（qm/（g/s））、排氣焓值（h2/（J/kg））和輸入功率（P/w）的計(jì)算如下。



2.2  換熱器模型

與壓縮機(jī)建模過(guò)程類(lèi)似，模型未對(duì)冷凝器中制冷劑的流動(dòng)換熱過(guò)程進(jìn)行機(jī)理性研究。采用標(biāo)定換熱器換熱能力的方法，該方法通過(guò)計(jì)算制冷劑側(cè)換熱系數(shù)并標(biāo)定空氣側(cè)換熱系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

單相區(qū)制冷劑的換熱系數(shù)采用Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式計(jì)算，如式（4）所示。



式中系數(shù)) 與指數(shù)+ 則由試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合最小二乘法加以確定。

根據(jù)冷凝器和板式換熱器的試驗(yàn)工況，建立模型模擬計(jì)算試驗(yàn)工況下的換熱量，模型值和試驗(yàn)值的試驗(yàn)對(duì)比情況，如圖3所示。結(jié)果表明模擬結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性良好，可用于預(yù)測(cè)換熱器的換熱能力。



2.3  膨脹閥模型



2.4  工況模型

在汽車(chē)運(yùn)行中，影響熱泵工作的參數(shù)包括汽車(chē)的運(yùn)行速度、電池及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的廢熱功率。試驗(yàn)工況模型中，通過(guò)時(shí)間查表確定當(dāng)前時(shí)刻的汽車(chē)運(yùn)行速度和電池及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的廢熱功率，并輸出給熱泵系統(tǒng)物理模型作為求解的參數(shù)輸入。其電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)廢熱功率數(shù)據(jù)通過(guò)仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，汽車(chē)關(guān)鍵參數(shù)，如表1所示。



采用電池SOC(荷電狀態(tài)，即電池當(dāng)前剩余容量占額定容量的百分比)作為純電動(dòng)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)對(duì)續(xù)航里程影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)。純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的SOC估計(jì)方法為：把電池看成一個(gè)理想電壓源和內(nèi)阻串聯(lián)的等效電路。

3  乘員艙加熱系統(tǒng)模擬結(jié)果和討論

3.1  模擬工況

對(duì)于乘員艙加熱，整車(chē)采用適合中國(guó)國(guó)情的CLTC-P工況，該工況包含低速、中速和高速3個(gè)速度區(qū)間，工況時(shí)長(zhǎng)為1800s，平均車(chē)速為29km/h，最大車(chē)速為114km/h。CLTC-P工況下的車(chē)速曲線，如圖4所示。對(duì)不同工況下包含熱管理系統(tǒng)模塊的整車(chē)進(jìn)行仿真分析，仿真時(shí)間為2個(gè)CLTC-P循環(huán)。該仿真工況下，模型的電池和電機(jī)的散熱量輸入，如圖5和圖6所示。



仿真工況結(jié)合實(shí)際使用情況考慮，冬季汽車(chē)在行駛前通過(guò)充電樁供電采用熱管理系統(tǒng)把電池預(yù)熱到30℃，艙內(nèi)氣溫預(yù)熱至24℃再啟動(dòng)汽車(chē)，節(jié)約行車(chē)能耗。

工況1：短途行駛，電池廢熱和電加熱給乘員艙供熱。汽車(chē)啟動(dòng)前，熱管理系統(tǒng)將電池預(yù)熱至30℃，艙內(nèi)氣溫預(yù)熱至24℃；驅(qū)動(dòng)電機(jī)部件和油溫度初始溫度為-7℃，仿真2個(gè)CLTC-P循環(huán)。工況2：長(zhǎng)途行駛，電池廢熱、電機(jī)廢熱和電加熱給乘員艙供熱。維持電池溫度在13℃，維持艙內(nèi)氣溫在24℃，驅(qū)動(dòng)電機(jī)部件和油溫度在55℃，仿真2個(gè)CLTC-P循環(huán)。

乘客艙溫度設(shè)定為24℃，根據(jù)某車(chē)型在環(huán)境-7℃下的試驗(yàn)結(jié)果，維持該艙內(nèi)溫度，艙內(nèi)冷凝器出風(fēng)溫度約為43℃。通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和高壓電加熱器功率來(lái)控制該出風(fēng)溫度。乘員艙進(jìn)風(fēng)模式為外循環(huán)模式時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度為-7℃；乘員艙進(jìn)風(fēng)模式為部分內(nèi)循環(huán)模式時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度為7℃。

3.2  電池和電機(jī)熱管理

圖7示出電池溫度隨時(shí)間的變化情況。對(duì)于工況1，電池溫度由30℃逐漸降低至9℃附近，電池預(yù)熱熱量以及自身散熱用于給冷卻水加熱。對(duì)于工況2，電池溫度維持在13~15℃，與冷卻水換熱量。



圖8示出工況1和工況2的電機(jī)油溫隨時(shí)間的變化情況。對(duì)于工況1，電機(jī)的發(fā)熱量?jī)H用于自身升溫，并未和冷卻水換熱。在低車(chē)速工況區(qū)間時(shí)，電機(jī)油溫緩慢增加；在高車(chē)速工況區(qū)間時(shí)，電機(jī)油溫急劇增加。對(duì)于工況2，電機(jī)初始溫度為55℃，在1600s前電機(jī)和冷卻水換熱，當(dāng)電機(jī)溫度降低至38℃，觸發(fā)冷卻水旁通條件，此后電機(jī)的發(fā)熱量用于自身升溫，直至3300s電機(jī)升至50℃，電機(jī)再次與冷卻水進(jìn)行換熱。



3.3  系統(tǒng)性能

工況1的壓縮機(jī)和加熱器的功耗曲線、系統(tǒng)COP曲線，如圖9所示。前2600s，壓縮機(jī)功耗為1~1.3kW，加熱器不介入工作，系統(tǒng)的COP處于3.5~2.5。在2600~3600s時(shí)，水溫過(guò)低，電池觸發(fā)電加熱器工作，加熱器功率為1kW左右，壓縮機(jī)功率維持在1.25kW，COP穩(wěn)定在2.5。由此可知，帶電池預(yù)熱的熱泵系統(tǒng)，要比單獨(dú)電加熱的熱泵系統(tǒng)，COP提升約20%。



表2示出了工況2在進(jìn)風(fēng)溫度為-7℃和7℃時(shí)的采暖性能對(duì)比。從表2中可以看出，部分內(nèi)循環(huán)模式對(duì)比外循環(huán)模式，壓縮機(jī)功耗減少了23%，加熱器功耗減少了30%，COP下降了9%。



圖10示出了-7℃環(huán)境工況和初始SOC為0.96時(shí)，4種不同運(yùn)行模式完成2個(gè)CLTC-P運(yùn)行工況后，電池SOC的對(duì)比情況。無(wú)乘員艙加熱需求時(shí)，SOC為0.906； 電池預(yù)熱+廢熱回收+電加熱時(shí)，SOC為0.893；無(wú)電池預(yù)熱+廢熱回收+電加熱時(shí)，在工況運(yùn)行結(jié)束后，SOC為0.871；而無(wú)電池預(yù)熱+無(wú)廢熱回收+電加熱時(shí)，在工況運(yùn)行結(jié)束后，SOC為0.865。由此可見(jiàn)，相比于僅使用電加熱器，采用電池預(yù)熱、廢熱回收的熱泵系統(tǒng)百公里能耗降低了29.6%；相比于僅使用電加熱器，采用廢熱回收的百公里能耗降低6.7%。



4  結(jié)論

文章提出的利用動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)廢熱的熱泵系統(tǒng)，采用動(dòng)力電池預(yù)熱，可使乘員艙取暖系統(tǒng)的COP和整車(chē)的百公里能耗有顯著優(yōu)化。為了更好地達(dá)到節(jié)約能源、降低百公里能耗的目標(biāo)，可進(jìn)一步對(duì)動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行散熱試驗(yàn)匹配，完善模型輸入，以及對(duì)控制策略的限制參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。